一种继承性大变形光纤测试结构及测试方法与流程

本发明涉及变形测试技术领域，具体涉及一种继承性大变形光纤测试结构，以及基于该大变形光纤测试结构的测试方法。

背景技术：

近年来，光学纤维（光纤）作为一种变形传感材料发展迅速，形成了一种专门的测试技术。由于光纤对变形敏感、测试精度高、性能相对稳定、受环境影响小等一系列优点，已经出现取代传统测试技术的趋势，在各个领域得到大量运用，前景良好。

光纤的主要材料是玻璃丝纤维，众所周知，玻璃是一种脆性材料，虽然做成纤维以后脆性得到较大克服，但延性较差，这对变形测试而言还是有很大限制。

目前，采用光纤做成的传感元件能够测试的应变通常不超过1.5%，这对结构工程、岩土工程等大变形测试显然不够。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种继承性大变形光纤测试结构，并基于该继承性大变形光纤测试结构提供其测试方法。

本发明中，所述大变形是指应变不小于1.5%的变形情况。

为了实现上述目的，本发明采用了如下所述技术方案。

一种继承性大变形光纤测试结构，其特征在于：由多根测试光纤gi组成，每根测试光纤外接测试设备5；在测试区域l两端设置两个固结区d，将多根测试光纤直接固定在测试对象4上，或者先将多根测试光纤gi固定在测试光纤载体3上，再将测试光纤载体3固定在测试对象4上；在测试区域l范围内，每根测试光纤长度li不同，li-1＜li≤li-1（1+δ）(i=2，3，...，i，...，n)，n≥2为一个测点处测试光纤gi的数量，l1=l，δ为测试光纤的有效测试应变量。

进一步地，根据测试变形量最大值确定测试光纤gi的数量n。

又进一步地：每根测试光纤gi有共同的固结区d，固结区d之间的初始净间距为l；固结区d作为测试控制固定点1，其余非测试控制固定点2用于固定测试光纤gi位置，需要满足测试对象变形时不导致测试光纤gi导线被拉断的要求。

更进一步地：测试光纤载体3可以是片状的，也可以做成封闭型筒体，用测试控制固定点1和非测试控制固定点2将测试光纤gi固结在测试光纤载体3上；测试光纤载体3的材料、形状、尺寸根据测试对象与环境进行确定，形成光纤测试条带。

作为本发明的优选方案，n根测试光纤gi组成的测试条带上可设置一个或多个串连的测试区域l，测试一个或多个点的变形。

基于前述继承性大变形光纤测试结构的测试方法，其步骤包括：

将测试光纤gi直接固结在测试对象4上，或者将测试光纤gi先固定在测试光纤载体3上，然后将测试光纤载体3固定在测试对象4上；

测试光纤gi外接测试设备5；

变形测试过程中：首先通过第一根测试光纤g1测试变形量；当测试光纤g1失效时，第二根测试光纤g2拉直、进入测试状态；当第二根测试光纤g2失效时，第三根测试光纤g3拉直、进入测试状态……；以此类推，直到完成大变形测试；

变形测试结果为：测试光纤gi数据叠加gi起始点同一时间点的gi-1末端数据。

本发明的有益效果：

（1）采用基于光纤的小变形量级的测试精度，能够测试到测试对象的大变形，从根本上解决了传统大变形测试精度远远小于小变形测试精度的局面，属于对传统大变形测试技术的一次突破，前景广阔；

（2）就测试原理而言，在无其它条件限制的情况下，能够测试现有光纤测试方法无法测试到的任何大变形，为测试技术的发展提供了更多的可能和新的方法；

（3）本发明提供的继承性大变形光纤测试结构的结构简单，稳定性好，测试精度高，结构成本及其实施成本低，实施过程简单，有极大的应用前景。

附图说明

图1为实施例1大变形光纤测试结构正剖面示意图；

图2为实施例1中大变形光纤测试结构测试区俯视示图，其中：（a）为测试第一阶段开始时光纤分布状态；（b）为测试第二阶段开始时光纤分布状态；（c）为测试第三阶段开始时光纤分布状态；

图3为实施例3中大变形光纤测试结构测试区俯视示图；

图4为实施例4中大变形光纤测试结构测试区俯视示图。

图中：1—测试控制固定点；2—非测试控制固定点；3—测试光纤载体；4—测试对象、5—测试设备；d—固结区（长度）；g1、g2、g3—分别为第一、二、三根测试光纤；l—测试区（长度）；l1、l2、l3、—分别为第一、二、三测试光纤在测试区域l内的长度；s—测试时的变形示意；δ—测试光纤的有效测试应变量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要注意的是，实施例采用的光纤数量n=3，仅为了方便说明原理，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

需要测试一结构受力后的表面某个点的变形，估计最大应变会达到4%。传统方法只能测试到δ=1.5%应变，不能满足测试要求，故采用本发明方法进行测试。

为了便于现场实施，采用先制作测试条带，然后在现场将测试条带固结在测点上的方法实施，请参见图1、图2。

大变形光纤测试结构条带制作，包括：采用具有满足延展性要求的高分子材料做成矩形筒体测试光纤载体3；筒体内放入三根测试光纤g1、g2、g3；取测试区长度l=20mm，有l1=l=20mm、l2=l1(1+δ)=20(1+0.01）=20.3mm、l3=l2(1+δ)=20.3(1+0.015)=20.6045mm（取20.6mm）；在测试区长度l两端，用固结剂（胶水）将三根测试光纤固结在矩形筒体测试光纤载体3上，固结长度d，形成测试控制固定点1；在l范围内，测试光纤g1直线放置，其它测试光纤弯曲放置，见图2（a）所示；在l范围以外，所有测试光纤均弯曲放置（见图2所示），并用固结剂将三根测试光纤固结在矩形筒体测试光纤载体3上，形成非测试控制固定点2；非测试控制固定点2主要作用是保持测试光纤在测试光纤载体3筒体内均匀弯曲分布，并由此控制其间距。上述大变形光纤测试结构条带制作可在生产厂家进行，形成自动化流水生产线，大批量、高质量、低成本产出。

变形测试前，用固结剂将制作好的大变形光纤测试结构条带的测试区（l范围）固结在指定的测试点上，并根据现场情况固定测试结构条带测至安全、稳定状态。测试结构条带端部连接测试设备5，开启测试设备5，检查测试线路联通和有效状态，并测试变形初始值。

变形测试时，开启测试设备5，测试对象4产生的变形就会被记录下来。

测试过程如下：

1、测试对象4表面变形通过测试光纤载体3传递给两个测试控制固定点1，两个测试控制固定点之间的变形由测试光纤g1测试并记录，见图2（a）所示，记为第一变形阶段；

2、随着变形增加，测试光纤g1上的变形逐渐达到有效测试应变量δ，此时测试光纤g2逐渐被拉直，记为第一变形阶段末；

3、变形进入第二变形阶段时，测试光纤g2开始进入测试阶段。此时，测试光纤g1进入变形非有效测试阶段。随变形量增加，测试光纤g1被拉断，见图2（b）所示；

4、随着变形增加，测试光纤g2上的变形逐渐达到有效测试应变量δ，此时测试光纤g3逐渐被拉直，记为第二变形阶段末；

5、变形进入第三变形阶段时，测试光纤g3开始进入测试阶段。此时，测试光纤g2进入变形非有效测试阶段。随变形量增加，测试光纤g2被拉断，见图2（c）所示；

6、以此类推，还可以完成更大变形测试。

测试数据获得：

1、第一变形阶段由测试光纤g1变形数据剔除测试开始时的初始值；

2、第二变形阶段由测试光纤g2变形数据叠加g2起始点同一时刻的测试光纤g1变形数据末端值；

3、第三变形阶段由测试光纤g3变形数据叠加g3起始点同一时刻的测试光纤g2变形数据末端值；

4、以此类推，还可以获得更大变形测试数据。

需要说明的是，测试光纤数量n根据变形测试量需要确定，所需测试的变形量越大，光纤数量越多，矩形筒体测试光纤载体3的空腔形状、尺寸根据测试对象确定。

实施例2

与实施例1不同之处在于需要测试多个点的变形，且这些测点都可以布置在一条线上。其它条件相同。

大变形光纤测试结构条带制作。根据各个测试点的位置，参照图1和图2在一条测试结构条带上设置多个测试区（l范围相同），测试结构条带制作参照实施例1方法进行。

变形测试前，用固结剂将制作好的大变形光纤测试结构条带各个测试区（l范围）固结在各个指定的测试点上，其它参照实施例1方法进行。

其它部分均参照实施例1进行，不同之处在于获得的变形数据对应着相应的各个测点。

实施例3

与实施例1不同之处在于没有现成的矩形筒体测试光纤载体3做成的光纤测试结构条带，其它条件相同。

参照实施例1中[0020]条，制作片状测试光纤载体3的光纤测试结构条带，测试区局部见图3所示。

其它内容均参照实施例1。不同之处在于测试光纤均暴露在外，没有保护结构。实施时，需采取有效的测试光纤保护措施，避免损坏。

实施例4

与实施例1不同之处在于不采用测试光纤载体3，其它条件相同。

整个实施过程可参照实施例1进行，不同之处在于：不制作光纤测试结构条带，采用测试控制固定点1将测试光纤直接固结在测试对象4的测点上，测试区局部见图4所示；采用非测试控制固定点2将测试光纤直接固结在测试对象4或其它固定物上。